智能伺服技術及其應用

伺服系統是機電產品中的重要環節，其控制性能反映了機電設備的控制質量。本文介紹了伺服技術的發展過程、技術特點和相關技術的發展，并具體闡述了伺服系統的應用及發展趨勢。
伺服系統在機電設備中具有重要的地位，高性能的伺服系統可以提供靈活、方便、準確、快速的驅動。隨著技術的進步和整個工業的不斷發展，伺服驅動技術也取得了極大的進步，伺服系統已進入全數字化和交流化的時代。
1 伺服系統的發展過程
1.1 直流伺服技術
伺服系統的發展經歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統根據所驅動的電機類型分為直流（DC）伺服系統和交流（AC）伺服系統。50年代，無刷電機和直流電機實現了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用。70年代則是直流伺服電機的應用最為廣泛的時代。
1.2 交流伺服技術
從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術—交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統。
交流伺服系統按其采用的驅動電動機的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（ＳＭ型）電動機交流伺服系統和感應式異步（ＩＭ型）電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發展前景，代表了將來伺服技術的方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用。
系統的執行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統的動態和靜態性能，可采用位置和速度閉環控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應速度，并且能限制暫態電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環和位置環可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調節器若為比例形式，三個交流電流環都用足夠大的比例調節器進行控制，其比例系數應該在保證系統不產生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調節，具有結構簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優點。
1.3 交直流伺服技術的比較
直流伺服驅動技術受電機本身缺陷的影響，其發展受到了限制。直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。
交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現出交流伺服系統的優越性。所以交流伺服系統在工廠自動化（FA）等各個領域得到了廣泛的應用。
從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產品已經成為主流產品。
2 伺服系統相關技術的發展
伺服驅動技術的發展與磁性材料技術、半導體技術、通信技術、組裝技術、生產工藝水平等基礎工業技術的發展密切相關。
磁性材料中，特別是永久磁性材料性能的提高是伺服電機高性能化、小型化所不可缺少的重要條件。以日本安川公司伺服電機產品的磁性材料為例，其磁性材料的磁能積由原來的10MGOe提高到30MGOe，從70年代到90年代的這段時間提高了3倍。
半導體技術的發展使伺服驅動技術進入了全數字化時期，伺服控制器的小型化指標取得了很大的進步。LSI（大規模集成電路）的精細加工技術以及開關特性的改善使高速開關器件的應用成為主流。IGBT（絕緣柵雙極型場效應管）已經發展到了第四代產品，其性能則提高了5倍以上。微處理器（CPU）性能的大幅度增強也使伺服控制器的復雜運算速度和多功能處理能力得以提高，同時也為產品的小型化創造了條件。
交流伺服控制器硬件環境的改善以及交流伺服電機的結構和制造材料的改進為更加快速、準確、穩定地控制機械設備創造了很好的條件。
在全數字控制方式下，伺服控制器實現了伺服控制的軟件化。現在很多新型的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分/）控制切換、前饋控制、速度實時監控、共振抑制控制、可變增益控制、振動抑制控制、模型規范適應控制、反復控制、預測控制、模型跟蹤控制、在線自動修正控制、模糊控制、神經網絡控制、H∞控制等。通過采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應速度、穩定性、準確性和可操作性都達到了很高的水平。
3 伺服系統的應用
隨著市場競爭的日趨激烈，用戶對所需產品提出了更高的技術要求和更合理的性能價格比。伺服系統以其出色的性能滿足了各種產品制造廠家近乎苛刻的要求，從而能夠對產品的加工過程、加工工藝和綜合性能進行改造。在機電一體化設備上伺服系統的使用更加廣泛，幾乎工業生產的所有領域都成為伺服系統的應用對象。表1列出了伺服系統的主要應用領域。
4.伺服驅動產品概況
由于伺服驅動產品在工業生產中的應用十分廣泛，市場上的相關產品種類很多，從普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制器到運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車間級和廠級監控工作站等一應俱全。對于用戶而言可以很方便地根據實際需要靈活選用。下面以安川公司的伺服產品為例做一介紹。
4.1 伺服電機
隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機大都采用了最新的Nd2Fe14B1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密、矯頑力、最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機結構設計，大大地提高了電機的性能，同時又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號線數量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對值型兩種類型，通信速率達4M/s，通信周期為62.5μs，數據長度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉生成100萬個脈沖，最高轉速達6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。
伺服電機按照容量可以分為超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W，小容量型的功率范圍為30W到750W，中容量型的功率范圍為300W到15KW，大容量型的功率范圍為22KW到55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100V到400V（單相/三相）。
4.2 伺服控制單元
傳統的模擬控制雖然具有連續性好、響應速度快及成本低的優點，但也有難以克服的缺點，如系統調試困難，容易受到環境溫度變化的影響而產生漂移，難以實現柔性化設計，缺乏實現復雜計算的能力，無法實現現代控制理論指導下的控制算法等。所以現代伺服控制器均采用全數字化結構，伺服控制系統的主要理論也采用了現代的矢量控制思想，它實現了電流向量的幅值控制和相位控制。
為了提高產品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種新技術、新工藝。如安川公司的伺服控制器就采用了許多新的技術手段來提高其產品的性能，其中主要有以下幾個方面。
　　（1）在電流環路中采用了d—q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運算量得以減少，通過硬件來進行電流環控制，即將控制算法固化在LSI專用硬件環路中。通過采用高速的d—q軸變換電流單元，使電流環的轉矩控制精度有了進一步的提高。使用d—q軸變換電流控制，實現了在穩態運行及瞬態運行時均能保持良好的性能。
　　（2）采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時間縮短為原來的三分之一。
　　（3）速度控制環采用速度實時檢測控制算法，使電機的低速性能得到進一步提高，速度波動和轉矩波動降到最低。采用在線自動設定功能，使伺服系統的調試時間縮短，操作更加簡單。
　　（4）為了使用戶更加靈活地使用伺服系統，一些產品上增加了可擴展性以及柔性化、開放性設計。用戶可以通過修改內部參數，選擇控制算法，或者使用高級語言進行編程，更加靈活的使用伺服產品。
　　（5）采用主回路與控制回路進行電氣隔離的結構，使操作及故障檢測更加方便安全。供電電源電壓從100V擴展到400V（單相/三相）。
　　（6）伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進行反饋，在受控執行機械部分沒有反饋采樣信號，即半閉環的控制方式。目前的新產品則采用全閉環的控制方式，使機械加工誤差、齒輪間隙、結構受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過計算完成修正。
　　（7）采用RICS（精簡指令計算機系統）技術，使CPU的數據處理能力由8位、16位提高到32位，微處理器的主頻提高到百兆以上，專用控制器門陣列數量超過了10萬門。
4.3 上位控制
隨著工業機械化設備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護性能要求的提高，安川公司為用戶提供了豐富的上位機控制群可供選擇。從上層的可編程控制器（PLC）、運動控制器、機床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸入/輸出（I/O）控制單元和視覺傳感系統。編程語言有梯形圖、NC語言、SFC語言、運動控制語言等，均可按照用戶的要求靈活配置。系統可控制軸數從單軸到可支持多達44軸，控制器可以連接從模擬信號到網絡信號的各種信號類型。
通用機械中使用的運動控制器包括單軸控制器、雙軸控制器、運動控制器和多軸高性能運動控制器等。高性能的超高速運動控制器的程序掃描速度約為0.4—1ms/1000步，最高可支持44個軸完全同步驅動控制，適用于高速度、高精度的機械設備，如印刷機械、包裝機械、半導體制造機械等等。除了高端產品外，低端產品的單軸控制器結構小巧緊湊，支持網絡化，可控制1軸伺服+主軸控制器，能完成FTP控制和跟蹤控制，支持NC語言，可廣泛應用于半導體制造設備、加工機械、搬運機械、卷揚機械等，具有很高的性能價格比。
5 伺服系統的發展趨勢
從前面的討論可以看出，數字化交流伺服系統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求越來越高。總的來說，伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：
（1）交流化
伺服技術將繼續迅速地由ＤＣ伺服系統轉向ＡＣ伺服系統。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是ＡＣ伺服系統。在工業發達國家，ＡＣ伺服電機的　　市場占有率已經超過80%。在國內生產ＡＣ伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產ＤＣ伺服電機的廠家。可以預見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，ＡＣ伺服電機將完全取代ＤＣ伺服電機。
（2）全數字化
采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機（ＤＳＰ）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進算法（如:最優控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等）成為可能。
（3）采用新型電力電子半導體器件
目前，伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（ＧＴＲ）、功率場效應管（ＭＯＳＦＥＴ）和絕緣門極晶體管（ＩＧＰＴ）等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統的響應速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅｓ，簡稱ＩＰＭ）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與ＴＴＬ信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現了伺服系統的小型化和微型化。
（4）高度集成化
新的伺服系統產品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統的體積，使得伺服系統的安裝與調試工作都得到了簡化。
（5）智能化
智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統作為一種高級的工業控制裝置當然也不例外。最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，它們的智能化特點表現在以下幾個方面:首先他們都具有參數記憶功能，系統的所有運行參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統出現故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性;除以上特點之外，有的伺服系統還具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環調節系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環節，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統最具吸引力的特點之一。
（6）模塊化和網絡化
在國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ簡稱ＦＡ）工程技術在最近十年來得到了長足的發展，并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口（如ＲＳ-232Ｃ或ＲＳ-422接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯能力，從而與ＣＮＣ系統間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統，。也可以通過串行接口，與可編程控制器（ＰＬＣ）的數控模塊相連。
綜上所述，伺服系統將向兩個方向發展。一個是滿足一般工業應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統發展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。